Создан первый генетический атлас полного жизненного цикла растения

Иллюстрация, отражающая результаты исследования: Arabidopsis thaliana прорастает среди клеток и нитей ДНК внутри земного шара. Автор: Филип Дексхаймер

Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) на протяжении последних пятидесяти лет служит модельным растением для большинства исследований в области ботаники. Благодаря этому растению учёные выяснили, как растения реагируют на свет, какие гормоны контролируют их поведение и почему у одних растений корни растут длинными и глубокими, а у других — мелкими и широкими. Однако, несмотря на всемирную популярность среди биологов, многие аспекты жизненного цикла Arabidopsis оставались загадкой.

Исследователи из Института Солка создали первый генетический атлас, охватывающий полный жизненный цикл Arabidopsis. Новый атлас, созданный с помощью детальной одноклеточной и пространственной транскриптомики, фиксирует паттерны экспрессии генов в 400 000 клеток на различных стадиях развития — от единственного семени до зрелого растения.

Этот общедоступный ресурс станет бесценным инструментом для будущих исследований различных типов растительных клеток и стадий развития, а также их реакции на стресс и environmental stimuli.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Plants, помогут расширить исследования и разработки в области биотехнологий растений, сельского хозяйства и environmental sciences.

«Мы значительно продвинулись в понимании биологии растений, но до недавнего времени существовало технологическое узкое место, мешавшее нам всесторонне каталогизировать типы клеток и экспрессируемые ими гены единообразно, across developmental stages», — говорит старший автор работы Джозеф Экер, профессор и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.

Как картировать растение

За многие годы в качестве модельного растения Arabidopsis стал участником countless экспериментов. Учёные десятилетиями работали над расшифровкой его генома, mapping which genes are expressed в каждом типе клеток across различных тканей и органов. Используя эти постепенно создаваемые карты, scientists могут начать выяснять, какие гены контролируют идентичность и поведение различных частей растения.

Пространственный транскриптомный анализ Arabidopsis thaliana демонстрирует поразительное клеточное разнообразие в цветке растения: каждый цвет представляет отдельный тип клеток. Автор: Институт Солка

Хотя одноклеточное РНК-секвенирование позволило учёным создавать детальные карты типов клеток, эти карты часто ограничиваются selected органами или тканями — например, рассматриваются только корни растения, игнорируя стебель, цветы и листья. Чтобы перейти от небольших генетических карт к sophisticated атласу, researchers из Института Солка combined одноклеточное РНК-секвенирование с другой технологией: spatial transcriptomics.

Лучшие технологии — лучшие карты

При одноклеточном РНК-секвенировании researchers вынуждены отделять интересующие ткани и обрабатывать их клетки изолированно. С spatial transcriptomics можно создавать геномные карты растений в их реальном виде, в контексте ткани.

Структура, форма и расположение клеток и тканей по всему растению могут оставаться нетронутыми на протяжении всего процесса секвенирования. Результат — insightful взгляд на идентичность клеток within multiple тканей и органов simultaneously.

«Что меня больше всего восхищает в этой работе, так это то, что теперь мы можем видеть вещи, которые раньше просто не могли наблюдать», — говорит соавтор исследования Натанелла Иллуз-Элиаз, постдокторант в лаборатории Экера. — «Представьте, что вы можете наблюдать, где активны до тысячи генов одновременно, в реальном тканевом и клеточном контексте растения. Это не только fascinating само по себе, но уже привело нас к открытиям, например, к обнаружению генов, involved в развитии семенных коробочек, о которых ранее никто не знал. В этих данных скрыто ещё так много неизведанного, и это ощущение возможности — вот что меня truly воодушевляет».

Одноклеточный и пространственный транскриптомный атлас охватывает 10 стадий развития Arabidopsis — от семени в почве до цветущего взрослого растения. Было captured более 400 000 клеток на протяжении этого жизненного цикла, что демонстрирует поразительное diversity типов клеток, которые можно найти всего в одном организме.

Куда приведёт новая карта

Изучив полный жизненный цикл Arabidopsis, а не отдельный моментальный снимок, researchers уже обнаружили удивительно dynamic и complex набор «действующих лиц», ответственных за регуляцию развития растения. Они также узнали о многих новых генах, экспрессия и функция которых в unique типах клеток теперь могут быть further исследованы.

«Это исследование станет мощным инструментом для генерации гипотез во всей области биологии растений», — говорит соавтор работы Трэвис Ли, постдокторант в лаборатории Экера. — «Наше удобное веб-приложение делает этот атлас жизненного цикла легко accessible для сообщества plant science через простой переход на наш сайт, и мы с нетерпением ждём, чтобы узнать о многих исследованиях одноклеточной геномики, которые он теперь enable».

Исследователи надеются, что этот новый ресурс — в настоящее время доступный бесплатно онлайн — позволит глубже изучить развитие растительных клеток, поможет объяснить, как растения реагируют на genetic и environmental perturbations, и в целом продвинет область биологии растений.

Среди других авторов работы — Цзяин Сюй, Брюс Джоу и Джозеф Нери из Института Солка, а также Тацуя Нобори, ранее работавший в Институте Солка, а ныне — в Лаборатории Сэйнсбери в Великобритании.

Больше информации: Travis A. Lee et al, A single-cell, spatial transcriptomic atlas of the Arabidopsis life cycle, Nature Plants (2025). DOI: 10.1038/s41477-025-02072-z

Источник: Salk Institute